铜对三叶草发芽率、抗氧化酶及产量的影响

杨洪岭

(天津市滨海新区大港环境保护监测站 天津 300270)

铜是植物生长发育必需的微量元素之一，铜离子也常被作为植物生长调节剂和杀菌剂而应用于农业生产中。但随着近年来工业“三废”排放量的增加，城市污水灌溉日益普遍，[1]进入土壤环境中的铜逐渐增加。铜在土壤中不能被微生物降解，只可能沿着食物链在植物—食草动物—食肉动物—人中逐级传递、积累。[2]作为重要的初级生产者，牧草对重金属的吸收和累积直接影响着畜产品的安全和人类的健康。[3]因此有必要以常见的牧草品种为研究对象，研究土壤中铜离子对牧草的影响。

三叶草是豆科牧草中分布较广的一年生、二年生或多年生草本植物。该属约有300种，在农业上有经济价值的约10余种，我国栽培利用较多的有红三叶、白三叶、绛三叶和野火球。[4]国内对三叶草的相关研究比较少。相关文献包括：储玲等人采用水培的方法研究了铜对三叶草幼苗生长及活性氧化代谢的影响；[5]况武等人研究了白三叶对中低度铜、镉、铅复合污染土壤的修复效果；[6]张侠等人研究了 NaCl胁迫对三叶草种子萌发的影响[7]等。

抗性生理学研究发现，植物受到重金属、干旱、盐碱、低温等各种逆境胁迫后，其生长发育及体内抗氧化保护系统等生理生化指标的变化是判断植物对重金属耐抗性大小的很好的依据。[8]因此，本文拟从发芽率、抗氧化酶(SOD 和 CAT)以及产量等方面研究三叶草受到铜离子胁迫后的影响，为合理利用三叶草提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为白三叶瑞文德，购自北京克劳沃草业技术开发中心。

1.2 试验方法

试验分两部分内容，发芽试验于 2013年 4月在室内进行，盆栽试验于 2013年 4～10月在温室进行。依据我国土壤环境质量三级标准[9]确定铜离子的浓度，其中应包含浓度较低的二级标准和浓度较高的三级标准，CuSO4·5H2O 的浓度梯度为0,mg/L、50,mg/L、100,mg/L、200,mg/L、300,mg/L、400,mg/L。

发芽试验选用直径为 12,cm培养皿，皿内铺放双层定性滤纸作为发芽床，将配好的CuSO4溶液倒入培养皿中，直至滤纸饱和。每日用称重法加蒸馏水恒重，培养温度为20,℃。每个培养皿中均匀放入50粒三叶草种子，每个处理重复3次。[10]10天后统计发芽率。

盆栽试验所用基础土样取自天津农学院试验地，土壤未被铜污染。土壤自然风干、粉碎、过 3,mm 筛后，装入直径为20,cm 塑料花盆中。将 CuSO4·5H2O 溶液投入供试土壤中，进行盆栽试验。每个处理重复 3次。浇水后平衡 1周。播种、出苗后每盆定苗 20株。定时浇水，拔除杂草。7月 25日剪取植株相同部位叶片，用蒸馏水洗净、吸干水分，测量其SOD酶和CAT酶的活性。[11]7月28日和10月9日刈割两次，测产。

2 结果与分析

2.1 发芽率

通过发芽试验可以了解种子的生态适应性和抗逆性。牧草种子在重金属的污染条件下能否正常发芽是牧草能否在受重金属污染的土壤中生长的先决条件。[12]从表1可以看出，随着铜离子浓度的增加，三叶草的发芽率出现了“先增加后下降”的变化趋势。当铜离子浓度为 50,mg/kg时，发芽率最高；铜离子浓度为400 mg/kg时，发芽率最低。这说明低浓度的铜离子能在一定程度上促进三叶草的萌发，当浓度逐渐升高，尤其是高于我国土壤环境质量二级标准(100,mg/kg)后，其发芽率迅速下降，说明高浓度的铜离子对三叶草种子产生了毒害作用。

表1 不同浓度的铜离子对三叶草发芽率、抗性酶活性、产量的影响Tab.1 Effects of different copper ion concentrations on germination rate，resistance activity and production of clovers

2.2 抗性酶活性

从图1可以看出，随着铜离子浓度的增加，SOD酶活性呈现出“升—降”的单峰变化趋势，且当铜离子浓度为100,mg/kg时，酶活性最高。这表明随着环境中铜离子浓度的增加，三叶草需要产生 SOD酶的量也逐渐增加，以消除自身受到的毒害作用；当铜离子引发的毒害作用超出了 SOD酶正常的保护能力后，其活性迅速下降。

图1 SOD酶活性的变化Fig.1 Changes of SOD activity

图2 CAT酶活性的变化Fig.2 Changes of CAT activity

从图2可以看出，随着铜离子浓度的增加，CAT酶活性却呈现出“升—降—升—降”的双峰变化趋势，当铜离子浓度为50,mg/kg和300,mg/kg时，CAT酶活性为第1个峰值和第2个峰值，且当铜离子浓度为 400,mg/kg时，CAT酶活性依然高于对照的酶活性。这一结果与孙健等人的研究结果类似。这表明当植物受到逆境胁迫时，CAT的耐受性更高，能够在抵抗外界重金属胁迫时发挥更大的作用。[13]

2.3 生物量

从表 1可以看出，当铜离子浓度不高于土壤环境质量二级标准时，与对照相比，三叶草两次刈割时的产量有一定程度的增加，这表明铜作为植物必需的营养元素之一，在植物生长过程中发挥了应有的生理作用。当土壤中铜离子浓度高于二级标准时，两次刈割时的产量均下降，这表明铜离子对三叶草的生长产生了负面影响。当然这也说明我国目前的土壤环境质量标准基本适用于北方的碱性土壤。

3 结 论

铜离子为植物生长所必需的微量元素，当环境中铜离子浓度低于我国土壤环境质量二级标准时，对三叶草萌发和生长的胁迫作用不明显；但当铜离子浓度达到、甚至高于环境质量三级标准时，三叶草的萌发和生长都受到显著的影响，若将这样的三叶草饲喂家畜，极有可能影响畜产品的安全，甚至危及人类的健康。■

［1］国家环境保护局.1998年中国环境状况公报[J].环境保护，1999(7)：3-9.

［2］张国良.外源铜对小麦萌发生长的影响[J].淮阴工学院学报，2003，12(1)：51-54.

［3］孔凡美，史衍玺，冯固，等.AM 菌对三叶草吸收、累积重金属的影响[J].中国生态农业学报，2007，15(3)：92-96.

［4］全国牧草品种审定委员会.中国牧草登记品种集[M].北京：中国农业大学出版社，1999.

［5］储玲，王友保，丁佳红，等.铜对三叶草——土壤酶系统的影响[J].应用生态学报，2005，16(12)：2413-2417.

［6］况武，田伟莉，高全喜.白三叶在铜、镉、铅复合污染土壤修复上的应用[J].能源工程，2012(6)：53-56.

［7］张侠，宋莉璐，魏艳丽，等.NaCl胁迫对三叶草种子萌发的影响[J].山东科学，2008，21(5)：11-14.

［8］Van Assche F，Clijsters H.Effects of metal on enzyme activity in plants[J].Plant Cell Environ，1990(13)：195-206.

［9］夏家淇.土壤环境质量标准详解[M].北京：中国环境科学出版社，1996.

［10］梁云媚，李燕，多立安，等.不同盐分胁迫对苜蓿种子萌发的影响[J].草业科学，1998，5(6)：21-25.

［11］赵海泉.基础生物学实验指导植物生理学分册[M].北京：中国农业大学出版社，2008.

［12］丁园，刘继东，陈炳存，等.重金属胁迫对黑麦草种子萌发的影响[J].江西畜牧兽医杂志，2005(3)：21-22.

［13］孙健，铁柏清，钱湛，等.Cu、Cd、Pb、Zn、As复合污染对灯心草的生理毒性效应[J].土壤，2007，9(2)：379-285.